Astrónomos presencian el nacimiento de un Agujero Negro


Utilizando los detectores de los dos Observatorios de ondas gravitatorias por interferometria láser doble (LIGO), ubicados en Livingston (Louisiana) y Hanford (Washington), y el detector Virgo ubicado cerca de Pisa, Italia, los astrónomos han detectado ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros binarios más masiva jamás detectada. Los dos agujeros negros giratorios se fusionaron cuando el Universo tenía solo unos 7 mil millones de años, que es aproximadamente la mitad de su edad actual, y formaron un agujero negro más grande que pesaba 142 veces la masa del Sol.

Los astrónomos saben que los agujeros negros de masa estelar (agujeros negros que varían de 10 a 100 veces la masa del Sol) son los remanentes de estrellas moribundas, y que los agujeros negros supermasivos, con más de 1.000.000 veces la masa del Sol, habitan en el centro de la mayoría de las galaxias.

Pero, dispersos por todo el Universo, hay algunos agujeros negros de una clase mucho más misteriosa. Con un rango de 100 a 10,000 masas solares, estos agujeros negros de masa intermedia son tan difíciles de medir que incluso su existencia a veces se cuestiona.

El agujero negro de 142 masas solares producido por la fusión recién descubierta se encuentra dentro de este rango de masa intermedia, entre los agujeros negros de masa estelar y los agujeros negros supermasivos.

"Desde el principio, esta señal, que solo dura una décima de segundo, nos desafió a identificar su origen", dijo la profesora Alessandra Buonanno, investigadora de la Universidad de Maryland y del Instituto Max Planck de Física Gravitacional.

"Pero, a pesar de su corta duración, pudimos hacer coincidir la señal con una esperada por la fusión de agujeros negros, como lo predijo la teoría de la relatividad general de Einstein, y nos dimos cuenta de que habíamos presenciado, por primera vez, el nacimiento de un agujero negro de masa intermedia a partir de un agujero negro progenitor que probablemente nació de una fusión binaria anterior".

El descubrimiento
La señal de ondas gravitacionales, apodada GW190521, se detectó el 21 de mayo de 2019 a las 03:02:29 UTC.

Provenía de dos agujeros negros que pesaban 85 y 66 veces la masa del Sol, respectivamente.

El mayor de los dos agujeros negros se considera "imposible". Los astrónomos predicen que las estrellas de entre 65 y 130 masas solares se someten a un proceso llamado inestabilidad de pares, esto hace que la estrella explote sin dejar nada atrás.

"La masa del agujero negro más grande del par lo coloca en un rango imprevisto por los procesos astrofísicos regulares", dijo el profesor Peter Shawhan, científico de la Universidad de Maryland.

"Parece demasiado masivo para haberse formado a partir de una estrella colapsada, que es de donde generalmente provienen los agujeros negros".

"El agujero negro 'imposible', formado por la colisión, se encuentra en el desierto de agujeros negros de entre 100 y 1000 veces la masa del Sol", agregó la profesora Susan Scott, investigadora del Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav) en la Universidad Nacional de Australia.

"Estamos muy emocionados de haber logrado la primera observación directa de un agujero negro de masa intermedia en este rango de masas".

"También vimos cómo se formó, lo que confirma que los agujeros negros de masa intermedia se pueden producir mediante la fusión de dos agujeros negros más pequeños".


La señal GW190521, que se asemeja a unos cuatro bamboleos o sacudidas cortas, fue de una duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo. Considerando las enormes distancias cósmicas, pero a pesar de eso, esta señal fue detectada, simplemente muestra la violencia de esta colisión astronómica.

Por lo que los investigadores pueden decir con total confianza que la señal fue generada por una fuente que está a aproximadamente a 5 Gpc de distancia, esto se remonta a cuando el Universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, lo que significa que la señal viajó a través del espacio durante 7 mil millones de años antes de llegar a la Tierra y ser detectada por nuestra tecnología.

La señal GW190521 es la fuente de ondas gravitacionales más distante detectada hasta ahora.

"Esto no se parece mucho a un 'chirrido', que es lo que normalmente detectamos", dijo el Dr. Nelson Christensen, investigador del Centro Nacional para la Investigación Científica.

"Esto es más como algo que hace 'bang', y es la señal más masiva que LIGO y Virgo han visto".

Usando la instalación Zwicky Transient, los astrónomos podrían haber detectado un destello de luz de la colisión GW190521. Esto es sorprendente, ya que los agujeros negros y sus fusiones normalmente son invisibles para los telescopios.

Una teoría es que este sistema de agujeros negros binarios pudo haber estado orbitando un agujero negro supermasivo.

El agujero negro recién formado puede haber recibido un impulso debido a la colisión, disparándose en una nueva dirección y pasando a través del disco de gas que rodea al agujero negro supermasivo, provocando que se ilumine.

"Hay varios entornos diferentes en los que podría haberse formado este sistema de dos agujeros negros, y el disco de gas que rodea a un agujero negro supermasivo es sin duda uno de ellos", dijo el Dr. Vaishali Adya, investigador postdoctoral del Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav) en la Universidad Nacional de Australia.

"Pero también es posible que este sistema consistiera en dos agujeros negros primordiales que se formaron en el Universo temprano".

Los agujeros negros primordiales son un tipo hipotético de agujero negro que se formó poco después del Big Bang. En el universo temprano, las altas densidades y las condiciones heterogéneas podrían haber llevado a regiones suficientemente densas a sufrir un colapso gravitacional, formando agujeros negros. 

"Cada observación que hacemos de la colisión de dos agujeros negros nos da información nueva y sorprendente sobre la vida de los agujeros negros en todo el Universo".

"Estamos comenzando a poblar las brechas de masa de agujeros negros que antes se pensaba que existían, con agujeros negros 'imposibles' que han sido revelados a través de nuestras detecciones".

Crédito de la imagen: Mark Myers, Centro ARC de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav), Universidad Nacional de Australia.

Referencia de los documentos científicos:
R. Abbott et al (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). 2020. GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150  MSun. Phys. Rev. Lett 125 (10): 101102; doi: 10.1103/PhysRevLett.125.101102

R. Abbott et al (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). 2020. Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Sun Binary Black Hole Merger GW190521. ApJL 900, L13; doi: 10.3847/2041-8213/aba493

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